發電廠高壓變頻設計探討

王繼工，高 波

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

隨著廠網分離、發電企業市場化程度的加劇，運行綜合廠用電率已成為發電廠考核的重要指標，直接關系到電廠的經濟效益和企業競爭力。對于多數火電機組，其廠用電占發電量的4%～7%，主要負荷為火電機組的輔機設備。而針對輔機的變頻改造可顯著地降低廠用電成本，且具有重大經濟效益。變頻器在降低廠用電率的同時，保證機組安全、可靠的運行正在成為電廠十分關注的問題。因此，高壓變頻電動機的安全穩定運行，成為保障電廠安全的關鍵，具有重要的現實意義。

1 高壓變頻電動機工作性能

1.1 發電廠中高壓變頻的特點

高壓變頻接線的電動機一類是用于調速，一類是用于節能。在發電廠中應用高壓變頻的電動機，主要是通過變頻調速用于節能，其運行的頻率范圍一般小于50 Hz，其負載類型主要為恒轉矩（T=C），二次方減轉矩T∝n2[1]。

電廠內運煤皮帶、空氣壓縮機電動機在變頻的情況下，當運行頻率在 20～50Hz 時，轉矩 T∝（U/f）2，而U/f=C是個常數，所以電動機是以恒轉矩調速的。當運行頻率低于或等于20 Hz時，由于低頻時定子繞阻的壓降不可忽視，表現為輸出轉矩減少，所以變頻器都要有低頻區電壓補償。

電廠內風機、泵類的負載，其空氣或液體在一定的速度范圍內所產生的阻力矩大致與轉速n的平方成正比。隨著轉速的減小，轉矩T按轉速n的2次方減小。這種負載所需功率P與轉速n的3次方成正比。所需風量、流量減小時，利用變頻器通過調速可以大幅度地節約電能。

在1000 MW的機組中，常有8000 kW及以上大電動機的方案。在校驗起動電壓降時會遇到不滿足起動要求的情況，變頻起動則是除調速與節能之外，高壓變頻器一種新的用途。通過采用減小基礎頻率，提高啟動矩轉的辦法，使得電壓上升的速度加快，有效的獲得更大的起動轉矩上升倍數。

1.2 高壓變頻器的諧波干擾

高壓變頻器的諧波干擾主要體現在輸入側電流及輸出側電流、電壓。不同型式的高壓變頻器，其波型中的諧波含量、次數及幅值都不一樣。

江蘇省電力設計院 《發電廠輔機變頻干擾機理分析及解決方案計算研究》課題組對江蘇省5家火力發電廠的高壓變頻器進行了運行測試，對測試數據進行了仿真計算和分析小結。

（1）早期的直接串聯電流型變頻器及高壓二電平、三電平電壓源型變頻器，元器件少，元件耐壓高。雖然有濾波器但這類裝置的輸入輸出側，在諧波方面，特別是11，13，23，25次諧波電流畸變率均大過國家標準數倍，也引發過電動機振動超標。其輸入側電流、輸出側電壓、輸出側電流如圖1—3所示。從圖1—3發現，波形畸變嚴重。

圖3 高壓三電平型變頻器輸出側電流波形

（2）單元級聯多電平變頻器，采用多個獨立的低壓功率單元串聯實現高壓輸出，由于采用了移相變壓器，二次側多組繞組延邊三角接法，每組繞組與原邊的線電壓均按一定的相位差排列，使得輸入側的諧波電流折算到變壓器一次側時相互抵消，大大改善輸入側的電流波型，基本上消除了變頻器對電網的諧波污染。輸出側由于是電壓疊加的原理，每個功率單元輸出電流的諧波均被抑制在很小的范圍，串聯的級數越多，輸出電流諧波出現次數越高、數值越小，基本可以忽略不計。輸出電壓為多個功率單元迭加所得，諧波很小。所以很多制造廠將其稱為“完美無諧波”變頻器，對電動機和動力電纜的選型也無特殊要求。其輸入側電流、輸出側電壓、輸出側電流如圖4—6所示。

綜上所述，為減少電廠內諧波污染，保證廠用電母線電壓質量，保證微機保護安全可靠運行，保護電動機的絕緣性能，宜選擇單元級聯多電平變頻器。

2 高壓變頻調速系統的設計方法與注意事項

2.1 高壓變頻調速系統的接線

高壓變頻系統通常由高壓電源進線設備、變頻器、高壓真空接觸器和電動機構成，考慮到某些輔機運行的不可間斷性，還要配備工頻旁路。一旦變頻器出現嚴重故障或例行檢修維護時，投入工頻旁路，以保證輔機工頻拖動，不影響機組正常運行。其系統接線主要有以下幾種。

2.1.1 一拖一接線

帶手動旁路的系統接線如圖7所示。工頻與變頻運行的切換必須是在停機后進行。帶自動旁路的系統接線如圖8所示。工頻與變頻切換可以自動進行。值得注意的是，受電動機容量影響，若圖8中高壓熔斷器改為高壓斷路器，由于高壓接觸器的額定短時耐受電流值低，需校核其熱穩定值。

2.1.2 一拖二接線

一種典型的一拖二變頻系統接線如圖9所示。

此接線的特點為每臺電動機為單獨的工頻回路供電，繼電保護無需切換。由于變頻運行時，變頻器已限制了通過接觸器-KM!、2的故障電流，所以不論高壓側采用F-C或斷路器方案，此方案均不要考慮工頻與變頻運行方式切換的接觸器-KM!、2動、熱穩定。

2.2 高壓變頻系統的繼電保護

不帶旁路的單一回路供電的高壓變頻器，不論電動機大小，建議繼電保護按供電回路選擇綜合保護裝置。電動機保護交由變頻器處理，一般情況下，變頻器回路電流超過設定值時會自動關斷，因此，2 MW及以上的電動機可不設差動保護。

單一回路供電帶旁路的高壓變頻器，變頻運行電動機保護交由變頻器來處理，電源回路由綜合保護裝置來保護，由于需兼顧旁路運行，綜合保護裝置應選用電動機保護型式。對于大于2 MW及以上的電動機，在工頻運行時，需要設立差動保護，差動保護由高壓開關柜內電流互感器（TA）與電動機中性點TA構成的差動電流回路實現。建議差動保護設置單獨的綜合保護裝置，當變頻運行時應閉鎖差動保護。

對一拖二的三電源回路供電回路，工頻供電回路繼電保護按常規電動機配置，變頻回路電動機繼電保護交由變頻器處理。對于大于2 MW及以上的電動機回路，其差動保護的裝設同上。

2.3 高壓變頻系統設計注意事項

2.3.1 高壓變頻器的使用誤區

應當認識到高壓變頻器與軟起動器是不同的。軟起動器歸類為降壓起動器，電磁轉矩T∝U2。雖然也是利用降低電壓而降低起動電流，但電磁轉矩隨電壓降低成平方的關系下降，同樣的荷載下延長起動時間，據相關顯示延長起動時間3～5倍以上。采用高壓變頻器可以簡化工藝系統的調節環節，但完全取代工藝系統調節環節，在現階段是不經濟、不合理的。高壓變頻器工作頻率在20～50 Hz范圍是合適的，但如果長期工作在低頻狀態，對于電動機是不利的。應注意工藝專業濫用變頻裝置的傾向。

2.3.2 高壓變頻器的節能計算

當電動機負載率長期在40%以下，或運行頻率在20 Hz以下時，由于電動機自帶風扇通風量減少，會產生電動機過熱，使絕緣受損，這時應配置其它獨立冷卻方式。在高壓變頻器的節能計算中，還應包括為滿足裝置運行環境增加的空調設備，這些設備是按變頻器額定工況下的發熱量選擇，一般占到變頻器額定容量的3%～7%。

2.3.3 抑制高壓變頻器的諧波干擾

對于高壓變頻器的型式，現階段建議選擇單元級聯多電平變頻器。在同樣的額定電壓下，每組的串聯的功率單元越多，則諧波可能發生的次數高、數值小，影響可以忽略。當一段母線上所接變頻負荷的總容量不大于電源容量的10%時，一般諧波干擾不會影響供電的質量。

高壓變頻器距電動機越近越有利減輕諧波的干擾。控制電纜應采用屏蔽電纜。當控制電纜與高壓變頻裝置輸出側的電動機電纜平行長度在1～10 m，其間距離應大于0.3 m。若兩者平行長度大于10 m時，其間距應大于0.3×平行長度/10 m。變頻器內部的接地應與柜體的接地分開，經與柜體絕緣的接地母排匯總后，通過單芯絕緣電纜就近直接與接地網相連。

2.3.4 高壓變頻器的“飛車起動”功能

電動機轉子在旋轉狀態下的變頻器起動即 “飛車起動”功能。由于在電廠中大型風機、水泵的轉動慣量都很大，惰走時間很長。當電網原因、誤操作或隨機干擾使變頻器掉電又重新上電，這時電動機的轉子還處于旋轉狀態，若變頻器無“飛車起動”功能，則所帶電動機不能及時恢復運行，將使工藝系統聯鎖瓦解和機組停運。

在高壓變頻裝置“一拖多”的接線中，只要出現“工頻切變頻”情況，同樣要求高壓變頻器必須具有“飛車起動”功能。因此高壓變頻器設備選擇時，特別注意應要求其具有“飛車起動”功能。

3 結束語

通過多年來的工程實踐，在不斷總結的基礎上，本文所介紹的設計方法、注意事項已在包括華能巢湖電廠、華潤南熱電廠、國信新海電廠、華電句容電廠在內的多個1000 MW，600 MW級電廠中得以應用。有效地降低了廠用電率、避免了諧波干擾，在滿足工藝各種運行工況的前提下，保證了高壓變頻器安全正常的運行。

在工程設計中，只有認真了解工藝的運行要求，正確地選擇高壓變頻器，確定系統接線方案，選擇好配套的電器設備參數，在布置上避開電磁干擾的影響，才能使用好高壓變頻，獲得更大的效益。

[1]張選正，張金遠.變頻器應用技術與實踐[M].北京：中國電力出版社，2010.